CC BY
17
УДК 653.093
Исследование вязкостных характеристик и касательных напряжений сметаны с содержанием жира 10%
Канд. техн. наук Б.Л. НИКОЛАЕВ Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Experimental researches of rheology characteristics of a 10% fat sour cream are instanced at its various temperatures and in a wide range of changes of a velocity gradient. The received data allow is proved to carry out thermal and hydraulic calculations.
Определение оптимальных условий работы оборудования, применяемого для производства сметаны, атак-же транспортирование сырья по трубопроводам связано со знанием таких реологических характеристик сметаны, как касательное напряжение и эффективная вязкость.
Специфические особенности сметаны обусловлены тем, что она обладает аномалией вязкости. Для таких продуктов вводится понятие эффективной, или кажущейся, вязкости, при прочих равных условиях зависящей от двух параметров - градиента скорости и температуры. Эти параметры необходимо учитывать при расчете как теплового, так и механического оборудования, то есть в тех случаях, когда продукт в процессе производства перемешивается, нагревается, охлаждается, истекает через дозирующие устройства и транспортируется по трубопроводу.
Исследование реологических характеристик сметаны осуществлялось на ротационном коаксиальном вискозиметре марки «Реотест». Опыты проводили при температурах сметаны 12,2; 21,5; 32,1 и 40,2 °С и градиентах скорости в диапазоне 1,5...1312с'1. Температура исследуемой сметаны поддерживалась с точностью ±0,1 °С. Привод вискозиметра позволял устанавливать 24 различные частоты вращения цилиндрау, или 24 скорости сдвига продукта. В зависимости от диапазона изменения эффективной вязкости сметаны и касательного напряжения использовали один из четырех роторов, входящих в комплект прибора.
До начала измерений проба сметаны термостатиро-валась в течение 20 мин при одной из указанных темпе-
ратур в термостатирующем сосуде, после чего проводили измерения касательного напряжения и эффективной вязкости исследуемого продукта при возрастающих значениях частоты вращения цилиндра. Равномерная и постоянная температура пробы в процессе замеров поддерживалась путем подачи в наружный цилиндр с темперирующим резервуаром жидкости из циркуляционного термостата. При этом проба продукта находилась в кольцевом зазоре между цилиндрами.
При каждой исследуемой температуре использовали новую порцию сметаны. Погрешность измерений при определении касательного напряжения и эффективной вязкости продукта не превышала ±4 %.
Исследуемый продукт изготовлен из нормализованных сливок, сухого молока и закваски. В 100 г продукта содержится 10 г жира, 3 г белков, 2,9 г углеводов. Энергетическая ценность 100 г продукта 115 ккал.
Результаты исследования касательных напряжений т и эффективной вязкости ц сметаны с содержанием жира 10 % приведены в таблице.
Большой диапазон изменения скорости сдвига продукта — от 1,5 до 1312 с-1 (более чем в 870 раз) — позволил определить исследуемые параметры практически для всех возможных случаев, имеющих место на практике. Поэтому полученные результаты можно использовать для целого ряда технологических операций при производстве сметаны, а именно для перемешивания продукта в емкостном оборудовании, гомогенизации, дозревания и истечения продукта через насадок, для движения продукта по трубопроводной системе.
Результаты исследования реологических характеристик сметаны с содержанием жира 10 %
Температура сметаны, °С Y С“1 т, Па Пас у, с-1 т, Па ц, Па-с
1,5 9,045 6,027 72,9 36,16 0,496
2,7 10,74 3,976 121,5 39,61 0,326
1 О О 4,5 11,87 2,637 218,7 53,14 0,243
8,1 14,13 1,744 364,5 59,78 0,164
13,5 16,96 1,256 656 67,57 0,103
24,3 21,48 0,884 - - -
2,7 7,911 2,930 72,9 25,95 0,356
4,5 9,040 2,009 121,5 30,50 0,251
11 ^ 8,1 11,30 1,395 218,7 36,09 0,165
Z1 ,э 13,5 13,55 1,004 364,5 41,92 0,115
24,3 18,08 0,744 656 49,86 0,076
40,5 21,47 0,530 1312 57,73 0,044
1,5 4,520 3,013 72,9 16,99 0,233
2,7 5,651 2,093 121,5 19,20 0,158
4,5 6,782 1,507 218,7 22,53 0,103
32,1 8,1 7,914 0,977 364,5 25,88 0,071
13,5 10,17 0,753 656,0 31,49 0,048
24,3 12,44 0,512 729,0 32,81 0,045
40,5 14,70 0,363 1312 39,36 0,030
218,7 10,28 0,047 729,0 14,58 0,020
40,2 364,5 11,30 0,031 1312 18,37 0,014
656,0 13,78 0,021 - - -
Выполненные исследования позволили выявить существенную зависимость эффективной вязкости и касательного напряжения от скорости сдвига продукта. Так, например, эффективная вязкость сметаны, имеющей температуру 32, ГС, при возрастании скорости от 1,5 до 1312с-1 уменьшается от 3,013 до 0,030 Пас, то есть более чем в 100 раз.
Известно, что для сред с псевдопластичными свойствами, к которым относится и сметана, уменьшение эффективной вязкости продукта обусловлено разрушением его структуры [1,3], и чем меньше эффективная вязкость продукта, тем (при прочих равных условиях) сильнее разрушена его структура. По мере возрастания скорости асимметричные молекулы подвергаются упорядочению, располагаясь по более длинной оси в направлении потока. В результате снижается напряжение сдвига, а следовательно, и эффективная вязкость продукта. При больших значениях скорости процесс упорядочения практически прекращается [3]. Приводимые в таблице данные подтверждают это. Так, например, при скоростях 656 и 1312 с'1 эффективная вязкость сме-
таны незначительна, что можно объяснить существенным разрушением ее структуры.
Исследование реологических характеристик сметаны позволило установить зависимость касательных напряжений и эффективной вязкости также и от температуры продукта. Так, например, при одной и той же скорости, равной 656 с-1, при возрастании температуры продукта от 12,2 до 40,2 °С эффективная вязкость сметаны уменьшается от 0,103 до 0,021 Па-с, то есть в 4,9 раза.
Таким образом, при различных расчетах оборудования и транспортирующих систем необходимо учитывать как величину градиента скорости, так и температуру обрабатываемого продукта.
Выводы
1. Исследования сметаны с содержанием жира 10 %, проведенные с помощью ротационного вискозиметра при изменении скорости сдвига от 1,5 до 1312 с-1 в интервале температур от 12,2 до 40,2°С, позволили получить количественную оценку реологических параметров, что дает возможность обоснованно проводить тепловые и механические расчеты оборудования.
2. Приводимые результаты исследований имеют не только теоретическое, но и практическое значение. Как выявлено, при прочих равных условиях с возрастанием скорости уменьшается эффективная вязкость сметаны, а следовательно, происходит частичное разрушение структуры продукта. В результате этого возможно отделение сыворотки из сгустка, что нежелательно. Поэтому необходимо с особой тщательностью подходить к выбору частоты вращения перемешивающих устройств, так как при прочих равных условиях величина скорости сдвига прямо пропорциональна этой частоте.
Список литературы
1. Горбатов A.B. Реология мясных и молочных продуктов. — М.: Пищевая промышленность, 1979.
2. Стреме Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. — JL: Химия, 1975.
3. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов / A.B. Горбатов, А.М. Маслов, Ю.А. Ма-чихин и др.; Под ред. A.B. Горбатова. — М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1982.
